Rutenium

Teknetium ← Rutenium → Rodium Fe ↑ Ru ↓ Os       Koko taulukko
Yleistä
Nimi	Rutenium
Tunnus	Ru
Järjestysluku	44
Luokka	Siirtymämetalli
Lohko	d
Ryhmä	8, siirtymäalkuaine
Jakso	5
Tiheys	12,37 · 103 kg/m3
Kovuus	6,5 (Mohsin asteikko)
Väri	Hopeisen vaalea
Löytövuosi, löytäjä	1844, Karl Klaus
Atomiominaisuudet
Atomipaino (Ar)	101,07
Atomisäde, mitattu (laskennallinen)	178 pm
Kovalenttisäde	126 pm
Orbitaalirakenne	[Kr] 4d7 5s1
Elektroneja elektronikuorilla	2, 8, 18, 15, 1
Hapetusluvut	+III, +IV, +V, +VII
Kiderakenne	Heksagonaalinen
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto	kiinteä
Sulamispiste	2 607 K (2 334 °C)
Kiehumispiste	4 423 K (4 150 °C)
Moolitilavuus	8,22 · 10−3 m3/mol
Höyrystymislämpö	567,8 kJ/mol
Sulamislämpö	24 kJ/mol
Höyrynpaine	1,4 Pa 2 523 K:ssa
Äänen nopeus	5 970 m/s K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus	2,2 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti	0,238 kJ/(kg K)
Sähkönjohtavuus	1.4×107 S/m
Lämmönjohtavuus	117 W/(m·K)
CAS-numero	7440-18-8
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa

Rutenium (joskus myös ruteeni) on harvinainen siirtymämetalleihin kuuluva alkuaine. Sen kemiallinen merkki on Ru (lat. ruthenium) ja järjestysluku 44. Se on jalometalli ja kuuluu platinametallien ryhmään. Rutenium on normaaleissa olosuhteissa hyvin stabiili, eikä reagoi happojen kanssa. Rutenium kuitenkin hapettuu helposti. Sen löysi venäläinen Karl Klaus, ja se sai nimensä muinaisen Venäjän alueen latinankielisestä nimestä Ruthenia.

Ominaisuuksia

Fysikaaliset ominaisuudet

Rutenium on kiiltävä, hopeanharmaa metalli. Puhdas rutenium ei ole kovin hyvin työstettävää verrattuna esimerkiksi rautaan. Ruteniumin kiderakenne on heksagonaalinen (hcp). Ruteniumin sulamispiste on 2 334 °C ja kiehumispiste noin 4 150 °C. Sen sähkönjohtavuus on huonompi kuin kahdella muulla jakson metallilla.

Isotoopit

Ruteniumilla on useita pysyviä isotooppeja. Moolimassan määrityksen tarkkuutta on rajannut se, että tarkkoja mittauksia isotooppien suhteellisista osuuksista luonnossa ei ole pystytty tekemään.

Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi Osuus1 90Ru 11 s EC, β+ 91Ru 9 s EC, β+ 91mRu 7,6 s EC, β+ 92Ru 3,65 min EC, β+ 93Ru 59,7 s EC, β+ 93mRu 10,8 s EC, β+, IT 94Ru 51,8 min EC, β+ 95Ru 1,643 h EC, β+ 96Ru stabiili 5,526 % 97Ru 2,9 d EC 98Ru stabiili 1,886 % 99Ru stabiili 12,71 % 100Ru stabiili 12,61 % 101Ru stabiili 17,01 % 102Ru stabiili 31,62 % 103Ru 39,26 d β-

Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi Osuus1 103mRu 1,69 ms IT 104Ru stabiili 18,72 % 105Ru 4,44 h β- 106Ru 373.59 d β- 107Ru 3,75 min β- 108Ru 4,55 min β- 109Ru 34,5 s β- 110Ru 14,6 s β- 111Ru 2,12 s β- 112Ru 1,75 s β- 113Ru 0,80 s β- 114Ru 0,53 s β- 115Ru 0,40 s β- 1 = Osuus kaikesta luonnossa esiintyvästä ruteniumista. Ilmoitetaan stabiileille ja erittäin pitkäikäisille isotoopeille. Lähde:

Kemialliset ominaisuudet ja yhdisteet

Ruteniumia

Rutenium on hyvin kestävä metalli, eikä se reagoi ilman kanssa. Se ei reagoi ei-hapettavien happojen kanssa, eikä esimerkiksi kuningasveden kanssa. Ruteniumia voidaan kuitenkin liuottaa suliin emäksiin ilman läsnä ollessa. Rutenium reagoi epämetallien kanssa vasta korkeissa lämpötiloissa – poikkeuksena hapettavat aineet, kuten Cl₂ ja F₂. Ruteniumilla on useita hapetusasteita. Sen korkein hapetusaste on +VIII ja alhaisin -II. Yleisimmät hapetusasteet ovat +III ja +IV. Rutenium muodostaa kompleksiyhdisteitä koordinaatioluvuilla 4–10.

Ruteniumin yleisimmät oksidit ovat rutenium(VIII)oksidi eli ruteniumtetraoksidi (RuO₄) ja rutenium(IV)oksidi eli ruteniumdioksidi (RuO₂). RuO₂ on kiinteää ja väriltään joko sinistä tai mustaa, ja se syntyy tuhannen asteen lämpötilassa. RuO₄ on taas hyvin haihtuvaa ja keltaista. RuO₄ ei ole stabiili ja kuumennettaessa se räjähdysmäisesti pelkistyy ruteniumdioksidiksi. RuO₄:a voidaan valmistaa hapettamalla joko KIO₄:n, KMnO₄:n tai Cl₂:n avulla. Rutenium muodostaa sulfidin, telluridin ja selenidin vain hapetusasteella +IV. Halideja rutenium muodostaa hapetusasteilla +II–+VI, korkeimmilla hapetusasteilla vain fluorin kanssa. Ruteniumilta tunnetaan muutamia organometalliyhdisteitä. Ruteniumin klooriyhdisteitä ovat esimerkiksi rutenium(III)kloridi eli ruteniumtrikloridi (RuCl₃) ja rutenium(IV)kloridi eli ruteniumtetrakloridi (RuCl₄).

Ruteniumille on tehty korkeimmilla hapetusasteilla vain muutamia komplekseja, joista monet ovat epästabiileja. Suurin osa ruteniumin tunnetuista komplekseista on hapetusluvulla +IV tai +III. Hapetusasteella +IV se muodostaa [RuX₆]^2- komplekseja (X = F, Cl tai Br), jotka ovat oktaedrisiä, mutta helposti pelkistyvät Ru(+III)-komplekseiksi. Ru(+IV)-komplekseilla on kaksi paritonta elektronia, joten niillä on magneettisia ominaisuuksia. Myös Ru^3--kompleksit ovat oktaedrisiä. Tällä hapetusasteella rutenium muodostaa useita halidi- ja syanokomplekseja. Pienemmillä hapetusasteilla rutenium muodostaa joitakin komplekseja, mutta nämä ovat helposti hapetettavissa korkeamman hapetusasteen komplekseiksi. On kuitenkin huomioitavaa, että tällä hapetusasteella^selvennä rutenium voi muodostaa pysyviä komplekseja, jotka pystyvät absorboimaan näkyvää valoa.

Ruteniumilla ei ole biologista merkitystä, mutta saattaa olla karsinogeeninen, tahraa ihoa ja kertyy luihin. RuO₄ on hyvin myrkyllistä.

Historia

Puolalainen kemisti Jędrzej Śniadecki väitti löytäneensä 44. alkuaineen vuonna 1808 eteläamerikkalaisesta platinamalmista. Hän nimesi löytämänsä alkuaineen vestiumiksi asteroidi Vestan mukaan. Hän julkaisi tulokset, mutta muut kemistit eivät pystyneet toistamaan Śniadeckin tuloksia, jolloin hän ilmoitti vetävänsä pois alkuaineen löytämisensä. Hän ei tutkinut vestiumia enempää.

1820-luvulla Uralilta löytyi platinamalmiesiintymä, josta sitä tutkiva Jöns Jacob Berzelius löysi vain platinaa. Tarton yliopiston professori Gottfried Wilhelm Osann väitti löytäneensä esiintymästä kolme uutta alkuainetta, jotka hän nimesi poluraniumiksi, ruteniumiksi ja poliniumiksi. Kazanin yliopiston kemian ja farmasian professori Karl Klaus löysi sakasta, joka jää kun platinamineraalia liuottaa kuningasveteen, rodiumia, palladiumia, osmiumia ja iridiumia. Klaus löysi ruteniumin vasta rahapajan jäännöksistä. Näin hän oli osoittanut Osannin löytämät poluraniumin ja poliniumin virheellisiksi. Klaus osoitti, että Osannin löytämä rutenium sisälsi vain pienen määrän puhdasta ruteniumia. Hän julkaisi tutkimustuloksensa 1844. Klaus antoi valmistamalleen puhtaalle metallille nimen ruthenium. Alkuaineen nimi juontaa latinan kielen sanasta Ruthenia, joka tarkoittaa Venäjää. Ruthenium oli viimeinen platinaryhmän metalli, joka löydettiin.

Esiintyminen ja valmistus

Rutenium esiintyy tyypillisesti muiden platinametallien kanssa samassa malmissa. Merkittävimmät esiintymisalueet ovat Etelä-Afrikka, Ontarion provinssi Kanadassa ja Uraljoki Venäjällä. Ontariosta löydetty rutenium on pentlandiitissa ja Etelä-Afrikassa löydetty pyroxeniitissa. Ruteniumin pitoisuus maankuoressa on arvioiden mukaan 0,0001 ppm.

Rutenium eristetään kuparin ja nikkelin rikastuksessa syntyvästä sivutuotteesta tai sulfidimalmien sulatuksen sivutuotteista. Tavallisesti rutenium eristetään tislaamalla se liuotuksen jälkeen. Liuotus tehdään tyypillisesti suolahappoon, johon on lisätty klooria. Tällöin syntyy RuO₄, joka tislataan. Tisle johdetaan joko natriumhydroksidin alkoholiliuokseen tai suolahapon vesiliuokseen, jolloin syntyy ammoniumruteniumkloridia (NH₄)₃RuCl₆. Tästä rutenium voidaan pelkistää vetykaasulla. Rutenium voidaan myös eristää ydinjätteestä, jolloin saadaan myös ruteniumin radioaktiivisia isotooppeja.

Käyttö

Suurin osa tuotetusta ruteniumista käytetään lejeeringeissä. Ruteniumin lisäys tekee lejeeringeistä kovia ja korroosionkestäviä: jo 0,1 % lisäys titaaniin tekee siitä yli sata kertaa korroosionkestävämpää. Ruteniumia yleensä lisätään joko palladiumiin, platinaan tai titaaniin. Ruteniumin lejeerinkejä käytetään hyvin korkeita tai matalia lämpötiloja mittaavissa instrumenteissa, elektroniikassa ja lääketieteellisissä instrumenteissa.

Ruteniumia voidaan käyttää myös katalyyttinä. Merkittävä kohde on aurinkokennot, sillä osa ruteniumin komplekseista absorboi hyvin näkyvää valoa. Toinen merkittävä kohde on rikkivedyn hajottaminen kadmiumsulfidin ja ruteniumdioksidin seoksen katalysoidessa reaktiota. Ruteniumin organometalliyhdisteitä käytetään alkeenien metateesin katalyyttinä. Ruteenia voidaan käyttää vedytys- ja muissa pelkistysreaktioissa joko yksinään tai platinan kanssa. Sen oksidit sen sijaan toimivat alkoholien ja alkeenien hapetuskatalyytteinä.

Yksi ruteniumin merkittävistä käyttökohteista on elektroniikka, ja sitä käytetään vastuksissa. Erään rutenium-molybdeeni-seoksen on havaittu olevan suprajohtava 10,6 Kelvinin lämpötilassa. Lisäksi ruteniumia voidaan käyttää koruissa.

Rutenium-106 on käytetty lääketieteellisissä sovelluksissa. ¹⁰⁶Ru hajotessaan vapauttaa beetasäteilyä, jota voidaan käyttää syöpähoidoissa. ¹⁰⁶Ru on käytetty erityisesti silmäsyöpien hoidossa. Ruteniumin organometallikomplekseja on tutkittu syöpälääkkeenä.

Lähteet

• N. N. Greenwood & A. Earnshaw: Chemistry of the Elements. 2. painos. Oxford: Elsevier Ltd, 1997. ISBN 978-0-7506-3365-9. (englanniksi)
• S. Engles & A. Nowak (suom. J. Koskikallio): Kemian keksintöjä, s. 208–209. Jyväskylä: Gummerus Kirjapaino Oy, 1993. ISBN 952-903976-X.

Aiheesta muualla

• Periodictable: Technical data for Ruthenium (englanniksi)
• PubChem: Ruthenium (englanniksi)
• The Royal Society of Chemistry (RSC): Ruthenium (englanniksi)
• PeriodicTable: Ruthenium (Ru) (englanniksi)
• Human Metabolome Database (HMDB): Ruthenium (englanniksi)
• Food Component Database (FooDB): Ruthenium (englanniksi)
• ChemBlink: Ruthenium (englanniksi)
• Mindat: Ruthenium (englanniksi)
• Webmineral: Ruthenium Mineral Data (englanniksi)
• Webmineral: Mineral Species containing Ruthenium (Ru)(englanniksi)
• Handbook of Mineralogy: Ruthenium (pdf) (englanniksi)